Petrogenesi delle Andesiti

Le Andesiti sono rocce appartenenti al campo Subalcalino (vedi TAS).
All'interno di questo campo si distinguono, in base alla distribuzione degli elementi durante la differenziazione, una serie Calcoalcalina e una Tholeiitica.

La serie calcoalcalina, a cui appartengono le Andesiti calcoalcaline, è caratterizzata da un continuo incremento di SiO₂ all'aumentare del grado di evoluzione, incremento accompagnato da una costante diminuzione del contenuto di FeO_tot. Questo tipico andamento è noto come trend di Bowen (vedi diagramma discriminante AFM).

È opportuno ricordare che nei primi stadi evolutivi di un margine convergente non vengono eruttati prodotti Calcoalcalini, bensì prodotti Tholeiitici e Boninitici.
Di questi prodotti non si sa molto dato che vengono rapidamente sepolti, durante l'evoluzione del margine, da prodotti maggiormente evoluti.
Quello che si sa proviene in gran parte da sondaggi e carotaggi in mare e a terra.

Associazione Boninitica

I prodotti dell'associazione Boninitica sono caratterizzati da alti tenori di MgO (> 8%), Ni e Cr e bassi o bassissimi tenori di TiO₂.

I prodotti di questa serie sono caratterizzati da:

- Scarsità o assenza di Plagioclasio.
- Abbondanza di Opx (Bronzite).
- Ca-Cpx.
- Rara Mg-Olivina.

Le Boniniti, che prendono il nome dalle isole Bonin dove vennero individuate per la prima volta, costituiscono un particolare gruppo di Andesiti ricche in Mg che si ritiene abbiano origine da magmi primari derivanti da un Mantello Idrato.

Prodotti Tholeiitici

I prodotti della serie Tholeiitica (Tholeiiti di Arco) sono caratterizzati dal rapido incremento del FeO_tot durante il trend evolutivo, ma anche da bassi tenori di K₂O.

Islanditi

In alcuni casi si rinvengono rocce di tipo Andesitico in ambienti non legati alla tettonica convergente (ambienti A-orogenici).
Questo tipo di Andesiti vengono definite "Andesiti anorogeniche" o Islanditi. Il termine Islanditi venne coniato da Carmichael (1964) per distinguere le Andesiti (sensu lato) presenti in Islanda dalle Andesiti Orogeniche.
Le islanditi si differenziano dalle Andesiti (sensu stricto) per essere decisamente più povere in K₂O e Al₂O₃ ma molto più ricche in FeO + Fe₂O₃, MnO e TiO₂.

È possibile discriminare Andesiti orogeniche e islanditi in base al rapporto Al₂O₃/(FeO + Fe₂O₃).
Se questo rapporto è maggiore di 2 la roccia è un Andesite orogenica, mentre se è minore la roccia è generalmente una Islandite.

Ipotesi Petrogenetiche

La genesi delle Andesiti è stata un motivo di discussione e dibattito da parte di svariati autori i quali hanno proposto nel tempo diverse ipotesi per la loro genesi. Attualmente i principali modelli proposti per la genesi delle Andesiti sono:

- 1) Derivazione dalla Litosfera subdotta (derivazione Eclogitica).
- 2) Derivazione dal cuneo mantellico.
- 3) Derivazione per cristallizzazione frazionata da magmi Basaltici.
- 4) Derivazione per fusione parziale della costa continentale profonda e/o interazione con quella intermedia.

1) Derivazione Eclogitica.

Questa ipotesi venne proposta da Green&Ringwood nel 1966-68 e si basa sul fatto che i liquidi Andesitici soprassaturi corrispondono, a pressioni comprese tra 30 e 40 Kbar, ad un minimo termico compreso tra magmi Basici e magmi Riolitici.
I minerali prossimi al Liquidus a quelle pressioni sono Cpx e Granato, come per i liquidi basaltici. Questo significa che in condizioni anidre la Andesiti si possono generare per fusione di Eclogiti.
Inoltre l'alto rapporto Fe/mg del granato nel solido residuale impedirebbe qualsiasi arricchimento in Fe per liquidi Andesitici (Trend di Bowen nel diagramma AFM).

Diagramma di fase per liquidi compresi tra Basalti e Rioliti.

Questo modello è però incompatibile in quanto la crosta subdotta ha Temperature troppo basse per generare fenomeni di fusione parziale, inoltre i calcoli di frazionamento di questo modello, basati sulla composizione delle fasi ottenute sperimentalmente, indicano andamenti sensibilmente diversi da quelli tipicamente Calcoalcalini, sopratutto per quanto riguarda il contenuto di CaO che risulta >>MgO,FeO.

2) Derivazione dal cuneo Mantellico.

Questa ipotesi si basa quasi unicamente su dati sperimentali.
sapendo che la fusione incongruente del Pirosseno semplice (diagramma Ol-En-Qtz) persiste anche a pressioni idrate relativamente alte, con conseguente allargamento del campo di stabilità dell'Olivina, sono stati effettuati esperimenti su rocce Peridotitiche che hanno mostrato come queste rocce, in presenza di H₂O siano in grado di generare liquidi Quarzo-normativi di tipo Andesitico.

Questi dati hanno mostrato che la formazione di liquidi Andesitici, partendo da una sorgente peridotitica, è strettamente legata alla presenza di Acqua. Inoltre si è visto che questo avverrebbe a profondità di circa 40Km e con T = 1000°C.
Queste ultime due condizioni fanno vacillare il modello proposto in quanto è estremamente improbabile incontrare a quelle profondità la curva di Solidus della Peridotite e allo stesso tempo disporre di grandi quantità di H₂O.
Nonostante tutto comunque le caratteristiche Geochimiche dei prodotti Orogenici più basici presentano alcune peculiarità quali:

- Abbondanza di elementi LILE.
- Pattern delle REE che mostrano arricchimenti in LREE.
- Impoverimento di elementi HFSE (Zr, Hf, Nb ecc.).

Queste caratteristiche unite alla presenza di H₂O indicano la possibilità che i magmi Orogenici derivino da un Mantello Metasomatizzato.
In base a questi dati si sono sviluppati modelli genetici a più stadi che prevedono che l'originaria Peridotite sovrastante la placca subdotta venisse modificata dall'apporto di elementi provenienti dalla crosta subdotta.

La modificazione della peridotite per Metasomatosi è spiegata con due modelli:

1) Il primo modello afferma che quando la Litosfera raggiunge i 100-150Km si trasforma in una Quarzo-eclogite + vapore e che a circa 750°C produce per fusione parziale liquidi Dacitico o Riodacitici fortemente arricchiti in LILE e con rapporto K/Na alto.
Questi liquidi reagendo con il mantello producono Olivi-pirosseniti idrate che per contrasto di densità tendono a risalire. Durante la risalita, la fusione di questo materiale produce liquidi di tipo Orogenico la cui successiva evoluzione per cristallizzazione frazionata porterà alla formazione dei vari termini delle serie Orogeniche.

2) Il secondo modello attribuisce il Metasomatismo del mantello a liquidi Idrotermali. La sorgente di questi liquidi è vista ancora nella crosta subdotta. tali liquidi, migrando verso le parti alte del mantello, sarebbero in grado di estrarre LILE e quindi di modificare il mantello Peridotitico.

3) Frazionamento da magmi Basaltici.

I dati Geochimici, Petrografici e sperimentali sostengono fortemente l'ipotesi di derivazione delle Andesiti da magmi basici.
L'arricchimento in SiO₂ e l'assenza dell'arricchimento in Fe vengono spiegati con il frazionamento di Ossidi di Fe come Magnetite e Ilmenite. Questo è però possibile in condizioni di elevata Fugacità di O₂ che espande il campo di stabilità degli ossidi a discapito del Silicati, a P_tot relativamente alte.

In condizioni di P > 10Kb si possono avere, secondo Osborn (1976) delle riduzioni del campo di stabilità dell'Olivina e della Magnetite, accompagnate dall'espansione del campo di stabilità di Pirosseni e Spinelli. In questo modo anche a bassa Fugacità di O₂, per frazionamento di Olivina e Spinello si possono produrre liquidi con andamento Calcoalcalino.

Le caratteristiche chimiche delle serie Orogeniche possono essere ottenute anche frazionando minerali diversi dalla Magnetite, ad esempio l'Anfibolo. L'Anfibolo permette un arricchimento in SiO₂ senza che si abbiano arricchimenti in Fe.
Liquidi simili alle Andesiti possono essere così prodotti partendo da magmi Olivin-toleiitici, frazionando un solido costituito da Anfibolo, Pirosseno e minori quantità di Magnetite. Analogamente la fusione di Anfiboliti produrrà liquidi simili alle Andesiti.
Tuttavia l'Anfibolo non è stabile al di sopra dei 22 Kbr di pressione, quindi si pensa che possa avere un ruolo dominante a pressioni comprese tra 8-15 Kbr.

4) Derivazione per fusione parziale della Crosta.

L'influenza della crosta può essere vista in due modi:

- a) come sorgente diretta delle Andesiti.
- b) Come materiale contaminante dei magmi di origine profonda.

L'ipotesi a) risulta molto limitata in quanto i dati disponibili oggi ci dicono che la fusione parziale della crosta profonda produce liquidi riolitici o dacitici.
Risulta importante ricordare che nelle zone di convergenza i grandi spessori di crosta continentale facilitano lo stazionamento di magmi di origine profonda, questo può generare parziale fusione delle crosta con generazione di liquidi acidi che se le condizioni tettoniche lo permettono possono dar luogo a eruzioni per lo più esplosivo.

L'ipotesi b) può avvenire secondo quattro meccanismi principali:

1) Assimilazione di rocce crostali.
2) Contaminazione selettiva. Quando un magma attraversa delle rocce, queste possono rilasciare elementi meno stabilmente legati a loro come per esempio Sr, LILE. L'entità di questa contaminazione è strettamente legata alla disponibilità energetica del magma assimilante.
3) Contaminazione Sialica. I magmi primari del mantello vengono contaminati durante la loro stessa formazione da materiale terrigeno subdotto assieme alla crosta oceanica.
4) Mescolamento tra magmi a chimismo contrastante. Magmi primari che risalendo attraversano la crosta possono generare la fusione parziale di quest'ultima. Si producono così fusi Riolitici che mescolandosi con quelli basaltici producono fusi intermedi.

Composizione modale

Le lave Andesitiche hanno usualmente una tessitura Porfirica o vitrofirica con indice di colore variabile tra il 20-40% e indice di Porfiricità IP del 30-45%.

Il Plagioclasio è tra i fenocristalli quello più abbondante in quanto è una fase di Liquidus al momento delle eruzioni. Spesso è l'unico feldspato presente anche se quantità modeste di Sanidino sono state osservate in Andesiti ricche in K₂O. I Plagioclasi sono spesso complessamente zonati e possono presentare le seguenti caratteristiche:

- Una zona interna omogenea (Nucleo).
- Zonatura a settori.
- Zone ad andamento Oscillatorio.
- Un sottile bordo (< 20 micron) con composizione simile ai Microliti in pasta di fondo.
- Zonatura inversa (Ca-Plg che borda Na-Plg) dovuta a Mixing o ad Assimilazione tra magmi a composizione diversa.
- Bruschi cambiamenti composizionali non-oscillatori con variazioni di composizione da 10 a 30 mol% An.

I cambiamenti non-oscillatori si rinvengono molto spesso sui bordi dei fenocristalli. Questo fatto è interpretato come un cambiamento delle condizioni fisoco-chimiche del magma durante l'evoluzione dei fenocristalli.

Molto comunemente si rinvengono cristalli di Plagioclasio quasi completamente riassorbiti e con tessitura a Setaccio associati a Plagioclasi limpidi ed euedrali.
Questo potrebbe testimoniare eventi di Mixing, se la composizione dei due Plagioclasi è estremamente diversa, o potrebbe essere dovuto a fenomeni scollegati al Mixing.

Spesso i cristalli che si originano in una camera magmatica sono soggetti al trasporto dovuto a moti turbolenti e di flusso presenti nella camera. Se cristalli formatisi nelle parti alte vengono trasportati in zone più profonde si ha che questi cristalli si vengono a trovare in disequilibrio in quanto vengono portati in zone con temperatura e composizione del Liquido diverse da quelle in cui si sono originati.

- L'Augite è il secondo fenocristallo più abbondante nelle Andesiti. Si rinviene spesso anche nella pasta di fondo.

- L'Ortopirosseno compare nelle andesiti per reazione dell'Olivina con il liquido (Fo + SiO₂ = Opx). generalmente gli Ortopirosseni delle Andesiti sono Hyperstene e Bronzite.

- L'Horneblenda è presente comunemente in fenocristalli e molto meno comunemente nella pasta di fondo. Spesso le Horneblende possono presentare evidenti segni di riassorbimento e in alcuni casi corone formate da Plg + Px + magnetite.

- L'Olivina può essere presente come fenocristallo in quantità generalmente minore dell'1% in Andesiti povere in SiO₂.
In Andesiti maggiormente ricche in SiO₂ l'Olivina risulta instabile e tende a reagire con il liquido formando Ortopirosseno. Presenta spesso Corone di reazione di Opx + Magnetite e bordi di riassorbimento.

Possono essere presenti, in quantità subordinate:

- Biotite.
- Cordierite.
- Apatite.
- Quarzo (con anse di riassorbimento o corone di Augite).

Teasti consultati per la realizzazione di questa pagina:

- Ron H. Vernon (2004): A pratical guide to rock microstructure. Cambridge editore
- Eric A.K. (1985): Middlemost Magmas and Magmatic Rocks. Longman, London
- D’Amico C., Innocenti F. & Sassi F.P. (1987): Magmatismo e metamorfismo. UTET